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环境污染物的微生物降解
2010-07-09 | 编辑:王亚丽 | 【  】【打印】【关闭

顾继东  环境微生物学家。1962年6月生于黑龙江省虎林县。1983年毕业于黑龙江八一农垦大学农学专业;1988年在加拿大陈尔伯塔大学毕业,获硕士学位;1991年在美国弗吉尼亚理工学院及州立大学农业和生命科学学院获博士学位;1997-1994年在美国麻州大学罗维尔分校作博士后研究;1994-1999年先后在哈拂大学、香港大学做研究工作。2000年入选中科院国家知识创新工程“引进国外杰出人才”。现任中科院南海海洋研究所研究员、博士生导师。长期从事环境有毒有机物的微生物代谢和代谢途径、生物污损的分子机理和生物防治新方法的研究工作,尤其在当今国际上研究的热门环境课题-邻苯二甲酸酯类和多环芳烃类化合物的降解方面,对在好氧条件下的降解细菌进行了优化和驯化,筛选并纯化出能够快速降解邻苯二甲酸酯类的优势菌并提出了其降解的动力模型。与美国哈拂大学的微生物生态学实验室、美国食品药物管理局环境毒理实验室、瑞士联邦环境研究员微生物及生态毒理实验室、美国麻省理工腐蚀实验室等建立了良好的合作研究关系,是美国科学学会、美国化学学会和美国微生物学会的会员。

生态环境污染问题已经成为经济发展的制约因素,现代农业生产中由于对病虫害的防治而大量使用化学农药造成农药残留污染;工业上大量未经处理的化学工业废水的排放造成江河湖泊严重的环境污染对我们生存的环境造成严峻的威胁,污染环境的生物降解的研究与应用显得日益迫切而重要。环境生物技术,就其广义的定义是利用生物体,生物的代谢反应过程和生物合成产物(包括酶)对环境进行监测、评估、以及整治和修复有关的单一或综合性的现代化手段。其产生,发展及演变与世界各地出现的一系列的环境污染问题有着密切的联系。

本实验室主要从环境中分离纯化降解性微生物,研究其对污染物的降解特性及降解途径。主要从事以下几类环境污染物的微生物降解。

一、对苯二甲酸二甲酯及其异构体的微生物降解 

对苯二甲酸二甲酯(DMT)是生产聚酯的基本原料,自1953年原西德实现DMT工业化生产以来,DMT的产量急速上升。在生产过程中,大量的DM 和间苯二甲酸二甲酯(DMI)排放到环境中;排放的副产品中,DMI 的含量高达35 %~40 % 。DMT和DMI被怀疑有致癌作用,已证实DMT 能造成慢性肾损伤。此类化合物已被列为环境激素类物质,干扰动物的正常生长和发育,因而是未来环境治理的重要污染物。有机污染物进入自然环境后通过各种方式进行分解,水解、光解、氧化、还原和微生物分解。降解是自然环境中DMT及DMI完全矿化的主要过程。目前,有关红树林土壤微生物对DMT 和DMI 的生物降解方面的研究未见报道。本学科组从红树林底泥中分离驯化微生物,经过驯化的红树林土著微生物对DMT和DMI显示出较强的降解能力,通过对菌种生理生化等特性的研究,揭示了微生物对苯二甲酸二甲酯及其异构体的降解机理,同时更深入的研究了微生物对苯甲酸酯的降解途径,建立了微生物降解苯甲酸酯的动力学模型。

二、多环芳烃的微生物降解

多环芳烃(PAHs)是含有2个苯环以上的有机化合物,广泛存在于大气、土壤和水体中。环境中的多环芳烃主要来源于不完全燃烧的石油、煤、木材、城市垃圾等,另外,,石油化工产品生产过程、石油开发及石油运输中的溢漏、火山爆发、机动车辆尾气排放等均产生PAHs。由于PAHs具有致癌性和致突变性,严重影响生态环境和人类健康,已被许多国家列为优先控制的环境污染物,我国也不例外。微生物是生态系统中最重要的分解者,微生物降解是自然环境中去除PAHs的主要途径。微生物混合菌株及单一菌株对PAHs的降解已有广泛的研究,微生物对污染物的降解往往需要一定的适应时间。Heitkamp等和Wang等的研究表明,在被PAHs污染的沉积物中,微生物降解PAHs的能力远高于未受污染的沉积物。PAHs在环境系统中以混合物的形式存在,复杂的多底物混合状态影响微生物的生理生态及其对混合组分中单个底物的利用状况。影响微生物降解PAHs的因素还有温度、盐度、pH、通气状况、营养盐和PAHs浓度等。红树林是热带和亚热带海岸的重要生态环境,近代人类活动已对红树林生态环境造成严重污染和破坏,因此本学科组选取了香港米埔红树林淤泥用来富集具有降解功能的微生物,研究PAHs浓度及单底物或多底物系统对红树林微生物生长及红树林微生物对PAHs好氧降解的影响,同时利用富集培养的方法筛选分离得到61株PAHs降解菌,并在其中选取豚鼠气单胞菌WⅡ和斑点气单胞菌TⅡ研究单一纯菌对PAHs的降解能力。

三、硝基苯酚化合物的微生物降解

芳香族硝基化合物(Nitroaromatic compounds,NACs)主要包括硝基苯类化合物和硝基苯酚类化合物。硝基苯类化合物在工业上广泛用于制造苯胺、染料、炸药及肥皂等。硝基苯酚类化合物是化工生产中重要的有机合成原料,不仅是染料、农药和医药的重要中间体,还广泛应用于光化学品、防腐剂等生产过程.它们具有苯环结构,在环境中残留时间较长,尤其是硝基苯酚类化合物,由于同时含有硝基和羟基,硝基的吸电子性使得苯环上的电子云密度下降,从而使氧化酶的亲电子攻击受阻.而且本身具毒性,很容易使微生物中毒,所以一直被认为是高毒性的环境污染物。利用生物法处理环境中的硝基苯酚类污染物受到极大限制,因此寻找高效硝基苯酚降解菌成为解决利用生物消除硝基苯酚污染的关键。尽管PNP的生物降解研究报道比较多,但分离到能够完全矿化硝基苯酚化合物的微生物还不多,尤其是能够以硝基苯酚作为唯一碳源、能源和氮源的微生物较少,而对近海环境中微生物降解硝基芳族化合物的研究更少。本学科组从香港米浦红树林底泥驯化、分离、筛选出高效完全降解硝基苯酚的红球菌株(Rhodococcus sp. Ns),并探讨了该菌在不同的浓度、pH和盐度下,对硝基苯酚的好氧生物降解和可能的降解生化途径,为利用海洋细菌进行环境生物修复研究打下良好的基础。

资源、能源、健康、环境等问题的发展,无不为微生物研究提出全新的发展机遇和研究课题",但是真正在解决实际问题的时候,我们往往发现单个微生物物种的力量是有限的。大自然是公平的,她没有创造出所谓的"万能细菌",自然功能的实现一般是由一个微生物群落完成,各种微生物在其中各司其职,密切配合,形成各种各样的相互作用关系,通过一些比较特殊的途径,实现各种奇妙的功能。目前对污染物降解的研究着重以下几个方面:1.分离具有特殊分解功能的环境微生物,用分子探针监测他们在不同环境中的分布,以及与其它种类微生物之间的关系;2.在分子水平上确定主基因上与代谢分解相关的基因组或片段;3.将分解基因转移到受体微生物之中,实现分解功能在常见微生物体内的表达;4.走出单纯分解和矿化的旧模式,探索对有毒污染物的转化,并实现生产工业合成中所需的中间产物或原料是热门课题。

在实验室整个一系列研究中,给我们一个很大的体会就是解决实际问题仅仅考单独的一两株细菌是不够的,如果我们只用我们筛选的高降解菌进行降解是不够的,只有通过更深入的微生态和系统微生态的研究才能揭示降解的途径,以及降解的机理。现在微生物的研究主要集中在单个物种的深入研究,例如对某种细菌种属鉴定,基因蛋白质组研究,功能代谢研究等等;深入的对单个物种的研究极大地丰富了我们对自然界的认识,取得了无数令世人瞩目的成果。这些对单个微生物物种的研究就如一个一个的点,现在我们面临的问题是如何把这些点串成线?如何把线连成面?如何以点为基础,进行对线和面的研究。因此下一步是对系统微生态结构功能的研究。现在的确是向系统化微生物研究进军的时刻了!




























 
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